nghiên cứu tính toán cơ chế phá hoại tường chắn cọc xi măng - đất thi công đoạn đào mở các tuyến metro

1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: (i) Luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của tôi, (ii) Số liệu trong luận văn được điều tra trung thực, (iii) Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Học viên Nguyễn Chí Trung 2 LỜI CÁM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tôi gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp cận những kiến thức mới, khó khăn trong việc tìm kiếm tài liệu và hướng giải quyết cho đề tài. Nhờ sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Thành Đạt, tôi đã từng bước giải quyết được những khó khăn trên và có thể hoàn thành được đề tài. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy. Xin gửi lời cảm ơn đến Thầy cô của trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh đã chỉ dạy cho tôi những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập tại trường. Tôi xin chân thành cám ơn chú Hoàng Như Cương, Phó Trưởng Ban Quản lý đường sắt đô thị TP. Hồ Chí Minh, kiêm Giám Đốc Ban quản lý dự án 1 đã nhiệt tình giúp đỡ trong việc cung cấp một số thông tin liên quan đến dự án tuyến đường sắt metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên phục vụ cho đề tài. Xin cảm ơn gia đình và những người thân đã luôn khuyến khích, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 LỜI CÁM ƠN 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7 MỞ ĐẦU 13 1. Tính cấp thiết của đề tài 13 2. Mục tiêu của đề tài 13 3. Phương pháp nghiên cứu 13 4. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài 14 5. Nội dung của luận văn 14 6. Hạn chế của đề tài 14 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI TƢỜNG CHẮN HỐ ĐÀO - ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CỌC XI MĂNG - ĐẤT TRONG THI CÔNG TƢỜNG CHẮN HỐ ĐÀO 15 1.1 Một số loại tường chắn hố đào 15 1.1.1 Tường cừ thép 15 1.1.2. Tường cọc barrette 16 1.1.3. Tường cọc khoan nhồi 17 1.2. Ứng dụng công nghệ cọc ximăng – đất trong thi công tường chắn hố đào 17 1.2.1. Cơ sở lý thuyết cho cọc ximăng - đất 18 1.2.1.1 Quá trình nén chặt cơ học 18 1.2.1.2. Quá trình cố kết thấm 19 1.2.1.3. Quá trình gia tăng cường độ của cọc gia cố, sức kháng cắt của đất nền 19 1.2.2. Phương pháp và công nghệ thi công cọc xi măng đất 20 1.2.3. Một số công nghệ thi công tường chắn cọc xi măng đất hiện nay 23 1.2.3.1. Công nghệ CDM (Cement Deep Mixing) và công nghệ SMW (Soil Mixing Wall) của Nhật Bản 23 4 1.2.3.2. Công nghệ Geomix 25 1.2.4. Ứng dụng cọc xi măng đất ở Việt Nam 27 1.2.5. Ưu, nhược của loại tường chắn cọc xi măng - đất bảo vệ thành hố đào 28 CHƢƠNG 2: CÁC CƠ CHẾ CHÍNH PHÁ HOẠI LOẠI TƢỜNG CHẮN CỌC XIMĂNG-ĐẤT TRONG THI CÔNG ĐOẠN ĐÀO MỞ VÀ NHÀ GA CÁC TUYẾN METRO 30 2.1. Tường bị phá hoại do chuyển vị ngang của khối đất xung quanh cọc trong quá trình thi công 30 2.2. Phá hoại do lớp đất dưới chân tường 36 2.3. Phá hoại do moment uốn và lực cắt lớn nhất 39 2.4. Phá hoại do trượt đáy chân tường 40 2.5. Phá hoại do hiện tượng trồi đất, trồi nước ở dưới đáy chân tường 45 2.6. Phá hoại do dòng thấm khi hạ mực nước ngầm để thi công 47 CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LOẠI TƢỜNG CHẮN CỌC XI MĂNG ĐẤT TRONG THI CÔNG ĐOẠN ĐÀO MỞ VÀ NHÀ GA CÁC TUYẾN METRO 49 3.1. Mô hình tính toán 49 3.1.1. Cách bố trí cọc cho tường chắn cọc xi măng đất 49 3.1.2. Mô hình tính toán tường chắn cọc xi măng đất 50 3.2. Áp lực đất 50 50 53 3.2.3. Áp lực đất ở trạng thái nghỉ 54 3.3. ọc xi măng đất 54 3.3.1 54 3.3.2 55 3.3.3 (NLFEM) 56 3.4 n Plaxis 8.5 59 5 3.4 59 3.4 ần mềm Plaxis 8.5 [6], [8]. 60 3.5. Kết luận chương 3 63 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN MỘT SỐ CƠ CHẾ PHÁ HOẠI TƢ ỜNG CHẮN CỌC XI MĂNG ĐẤT BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 8.5 - ÁP DỤNG CHO ĐỊA CHẤT TUYẾN ĐƢỜNG SẮT METRO SỐ 01 BẾN THÀNH – SUỐI TIÊN 64 4.1. Tổng quan về tuyến đường sắt metro số 01 Bến Thành – Suối Tiên 64 4.2. Đặc trưng vật liệu cọc xi măng đất trong các bài toán 65 4.3. Giải một số bài toán bằng phần mềm Plaxis 8.5 66 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 5.1. Kết luận 101 5.2. Kiến nghị 102 5.3. Hướng nghiên cứu tiếp theo 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Một số đặc điểm của công nghệ CDM và công nghệ SMW 23 Bảng 4.1. Các thông số thiết kế của các lớp đất 65 Bảng 4.2. Đặc trưng vật liệu xi măng đất ứng với các tỷ lệ xi măng thiết kế 65 Bảng 4.3. Kết quả tính toán ứng suất xx  , yy  , xy  lớn nhất của đất nền, chuyển vị ngang U x và momen uốn M lớn nhất của tường khi q thay đổi 70 Bảng 4.4. Kết quả tính toán ứng suất xx  , yy  , xy  lớn nhất của đất nền, chuyển vị U x lớn nhất, mômen M lớn nhất của tường ứng với từng trường hợp độ sâu hố đào 74 Bảng 4.5. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U x và momen uốn M lớn nhất của tường ứng với đường kính tương đương d real của một số loại tường thông dụng 79 Bảng 4.6. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U x của tường ứng với từng trường hợp chênh cao giữa 2 hàng tường 83 Bảng 4.7. Kết quả tính toán chuyển mômen uốn của tường ứng với từng chênh cao giữa 2 hàng tường chắn 84 Bảng 4.8. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U x của tường ứng với từng khoảng cách giữa 2 hàng tường chắn 88 Bảng 4.9. Kết quả tính toán mômen uốn M (kN.m/m) của tường ứng với từng khoảng cách giữa 2 hàng tường chắn 88 Bảng 4.10. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U x và momen uốn M lớn nhất của tường khi bề rộng hố đào thay đổi 92 Bảng 4.11. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U x và mômen uốn M của tường ứng với từng tỷ lệ trộn của xi măng 94 Bảng 4.12. Kết quả tính toán chuyển vị ngang U x và mô men uốn M lớn nhất của tường ứng với từng trường hợp độ sâu mực nước ngầm khác nhau 99 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Thi công hố đào bằng tường cừ thép [19] 16 Hình 1.2. Chi tiết tường cọc barrette tầng hầm công trình dân dụng [3] 16 Hình 1.3. Cọc nhồi đơn 17 Hình 1.4. Cọc nhồi tiếp xúc 17 Hình 1.5. Hố khoan và lồng thép cọc khoan nhồi [19] 17 1.6. T - [10] 18 Hình 1.7. Chi tiết mũi khoan CN S 21 Hình 1.8. Chi tiết mũi khoan CN D 22 Hình 1.9. Lưu đồ công nghệ T 23 Hình 1.9. CDM 4 cần trộn [21] 24 Hình 1.10. CDM 8 cần trộn [21] 24 Hình 1.11. Tường vây cọc ximăng - đất có gia cố thép hình [24] 25 Hình 1.12. Hình ảnh bánh xe trộn theo công nghệ Geomix [21] 26 Hình 1.13. Hình ảnh thi công tường ximăng - đất theo công nghệ Geomix [19] 26 Hình 2.1. Các mô hình hoạt động của cần trộn cọc ximăng - đất [20] 31 Hình 2.2. Mô hình lực tác dụng khi thi công trộn cọc ximăng - đất [20] 31 Hình 2.3. Mô hình mô phỏng tính toán biến dạng dẻo theo L. M. Kachanôp [20] 32 Hình 2.4. Chi tiết các hàng cọc của tường chịu ảnh hưởng áp lực ngang do p  32 Hình 2.5. Mô tả vùng chịu ảnh hưởng trong mô hình cọc cát tuyến hàng đơn. 36 Hình 2.6. Mô tả vùng chịu ảnh hưởng trong mô hình cọc cát tuyến nhiều hàng. 36 Hình 2.7. Chi tiết làm việc của tường dưới tác dụng của đất nền 37 Hình 2.8. Mô hình tính toán trường hợp phá hoại do Q max , M max 39 Hình 2.9. Kiểu trượt tịnh tiến 40 Hình 2.10. Kiểu lật đổ 40 Hình 2.11. Kiểu trượt nghiêng 40 Hình 2.12. Kiểu trượt xoay 40 Hình 2.13. Trượt mặt phẳng 40 Hình 2.14. Trượt cung tròn 40 8 Hình 2.15. Trượt không theo nguyên tắc 41 Hình 2.16. Trượt hỗn hợp 41 Hình 2.17. Mặt trượt cắt thân tường 42 Hình 2.18. Mặt trượt qua đáy chân tường 42 Hình 2.22. Tính toán trồi nước 47 Hình 3.3. Cọc khối hình chữ nhật [17] 49 Hình 3.4. Cọc theo khối đào tròn [24] 49 Hình 3.5. Tường cọc ximăng - đất cát tuyến có gia cường thép hình [24] 49 Hình 3.7. Áp lực đất chủ động và bị động theo phương ngang của tường nhẵn. 51 Hình 3.8. Giới hạn ứng suất chủ động và bị động theo phương ngang. 52 Hình 3.9. Phươ ương đương t ng. 54 3.10. Phươ (WINKLER). 56 - 57 - 58 - ng. 62 a c. 62 Hình 4.1. Tuyến đường sắt metro số 01 Bến Thành - Suối Tiên 64 Hình 4.2. Mặt cắt ngang một số loại cọc thông dụng dùng làm tường chắn 66 Hình 4.3. Mô hình tường chắn không neo 66 Hình 4.4. Mặt cắt ngang tường 2 hàng cọc chồng, đường kính mỗi cọc d=1300mm 67 Hình 4.5. Biểu đồ ứng suất xx  của đất nền trường hợp tải 5kN/m 2 (xuất từ plaxis) 67 Hình 4.6. Biểu đồ ứng suất yy  của đất nền trường hợp tải 5kN/m 2 (xuất từ plaxis) 68 Hình 4.7. Biểu đồ ứng suất xy  của đất nền trường hợp tải 5kN/m 2 (xuất từ plaxis) 68 Hình 4.8. Lưới biến dạng trường hợp tải 5kN/m 2 (xuất từ plaxis) 69 Hình 4.9. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường hợp tải 5kN/m 2 (xuât từ plaxis) 69 9 Hình 4.10. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất xx  (kN/m 2 ) lớn nhất của đất nền và tải trọng ngoài q (kN/m 2 ) 70 Hình 4.11. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất yy  (kN/m 2 ) lớn nhất của đất nền và tải trọng ngoài q (kN/m 2 ) 71 Hình 4.11. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất xy  (kN/m 2 ) lớn nhất của đất nền và tải trọng ngoài q (kN/m 2 ) 71 Hình 4.12. Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của tường và tải trọng ngoài q (kN/m 2 ) 71 Hình 4.13. Đồ thị quan hệ giữa moment uốn lớn nhất của tường M (kN.m/m) và tải trọng ngoài q (kN/m 2 ) 72 Hình 4.14. Biểu đồ chuyển vị U x (m) và Biểu đồ mômen M (kN.m/m) theo độ sâu của tường ứng với các trường hợp tải trọng ngoài q (kN/m 2 ) khác nhau 72 Hình 4.15. Lưới biến dạng trường hợp độ sâu hố đào 6m (xuất từ plaxis) 73 Hình 4.16. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường dộ sâu hố đào 6m (xuất từ plaxis) 74 Hình 4.17. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất xx  (kN/m 2 ) lớn nhất của đất nền và độ sâu hố đào H (m). 75 Hình 4.18. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất yy  (kN/m 2 ) lớn nhất của đất nền và độ sâu hố đào H (m). 75 Hình 4.19. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất xy  (kN/m 2 ) lớn nhất của đất nền và độ sâu hố đào H (m). 76 Hình 4.20. Biểu đồ biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của tường và độ sâu hố đào H (m) 76 Hình 4.21. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của moment uốn lớn nhất M (kN.m/m) của tường và độ sâu hố đào H (m) 76 Hình 4.22. biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang U x (m) và mômen uốn của tường M (kN.m/m) theo chiều sâu của tường ứng với từng độ sâu hố đào H (m) 77 Hình 4.23. Lưới biến dạng trường hợp bề dày tương đương của tường 2.101m 78 10 Hình 4.24. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của tường trường trường hợp bề dày tương đương 2.101m (xuất từ plaxis) 78 Hình 4.25. Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang Ux (mm) lớn nhất của tường ứng khi thay đổi bề dày tương đương của tường d real (m) 79 Hình 4.26. Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa momen uốn M (kN.m/m) lớn nhất của tường khi thay đổi bề dày tương đương của tường d real (m) 80 Hình 4.27. Biểu đồ biểu diễn chuyển vị ngang Ux (mm) và mômen uốn M (kN.m/m) của tường theo độ sâu ứng với từng trường hợp về dày tương đương của tường d real (m) 80 Hình 4.28. Mô hình tường chắn không neo loại 2 hàng tường 81 Hình 4.29. Mặt cắt ngang 1 bên tường 81 Hình 4.30. Lưới biến dạng trường hợp chênh cao giữa hai hàng tường là 2.5m 82 Hình 4.31. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của hàng tường trước trường hợp chênh cao giữa hai hàng tường 2.5m 82 Hình 4.32. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của hàng tường sau trường hợp chênh cao giữa hai hàng tường 2.5m 83 Hình 4.33. Biểu đồ biểu diễn biến thiên giữa chuyển vị ngang lớn nhất Ux (mm) và độ chênh cao giữa hai hàng tường h(m) 84 Hình 4.34. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của moment uốn lớn nhất M(kN.m/m) của tường khi thay đổi độ chênh cao giữa hai hàng tường h(m) 84 Hình 4.35. Biểu đồ chuyển vị ngang Ux (m) và mômen uốn M (kN.m/m) theo chiều sâu của tường trước ứng với từng trường hợp độ chênh cao giữa hai hàng tường h(m) 85 Hình 4.36. Biểu đồ chuyển vị ngang Ux (m) và mômen uốn M (kN.m/m) theo chiều sâu của tường sau ứng với từng trường hợp độ chênh cao giữa hai hàng tường h(m) 85 Hình 4.37. Lưới biến dạng trường hợp khoảng cách giữa hai hàng tường là 3.5m 86 Hình 4.38. Biểu đồ chuyển vị Ux và mô men uốn M của hàng tường trước trường hợp khoảng cách giữa hai hàng tường 3.5m (xuất từ plaxis) 87 [...]... tường chắn hố đào - Ứng dụng công nghệ cọc ximăng - đất trong thi công tường chắn hố đào Chƣơng 2: Các cơ chế chính phá hoại loại tường chắn cọc ximăng - đất trong thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro Chƣơng 3: Mô hình và phương pháp tính toán loại tường chắn cọc xi măng đất trong thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro Chƣơng 4: Mô phỏng và tính toán một số cơ chế phá hoại tường chắn. .. hố đào đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro diễn biến rất phức tạp nên vấn đề nghiên cứu tính toán các cơ chế phá hoại tường chắn loại cọc ximăng - đất thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro cần được nghiên cứu kỹ để cung cấp thêm thông tin cho người thi t kế và thi công 2 Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu, nhận định các yếu tố phá hoại tường chắn cọc xi măng đất trong thi công đoạn đào mở. .. quyết bài toán sử dụng cọc ximăng - đất để gia cố thành hố đào trong quá trình thi công các hạng mục ngầm cũng được sử dụng khá phổ biến trên thế giới Do đó phương án sử dụng loại tường chắn cọc xi măng đất để thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro cũng là một trong những phương án có thể xem xét để lựa chọn Do cơ chế làm việc của loại tường chắn đất nói chung, tường chắn loại cọc xi măng đất nói... có độ chính xác chưa cao 30 CHƢƠNG 2: CÁC CƠ CHẾ CHÍNH PHÁ HOẠI LOẠI TƢỜNG CHẮN CỌC XIMĂNG-ĐẤT TRONG THI CÔNG ĐOẠN ĐÀO MỞ VÀ NHÀ GA CÁC TUYẾN METRO 2.1 Tƣờng bị phá hoại do chuyển vị ngang của khối đất xung quanh cọc trong quá trình thi công [20] Trong quá trình thi công cọc ximăng - đất dưới dạng hỗn hợp vữa (wet mixing) thì hỗn hợp vữa được phun vào trong đất dưới áp lực cao Cần khoan và lưỡi dao... cố nền bằng cọc đất - xi măng có thể nhận thấy, khi gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất, trong nền đất sẽ diễn ra các quá trình cơ học và hoá lý sau đây: 1.2.1.1 Quá trình nén chặt cơ học Gia cố nền bằng cọc ximăng - đất là dùng thi t bị chuyên dụng để đưa một lượng vật liệu vào nền đất dưới dạng cọc hỗn hợp ximăng - đất Lượng vật liệu ximăng – 19 đất sẽ chiếm chỗ các lỗ rỗng trong đất làm cho... công nghệ cọc ximăng – đất trộn sâu trong thi công tƣờng chắn hố đào 18 ọ ủa đấ ợ 1.6 - [10] 1.2.1 Cơ sở lý thuyết cho cọc ximăng - đất [11] Cũng như các phương pháp c ải tạo, gia cố nền đất yếu khác, phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất nhằm thay đổi tính chất cơ lý của đất theo hướng nâng cao sức chịu tải, giảm biến dạng của nền Trên cơ sở phân tích lý thuyết các phương pháp gia cố... liệu tham khảo về nội dung của đề tài nghiên cứu còn hạn chế, các nghiên cứu về cọc xi măng đất ở điều kiện địa chất khu vực chưa nhiều và mức độ chuyên sâu chưa cao nên quá trình nghiên cứu còn gặp nhiều khó khăn 15 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI TƢỜNG CHẮN HỐ ĐÀO ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CỌC XI MĂNG - ĐẤT TRONG THI CÔNG TƢỜNG CHẮN HỐ ĐÀO 1.1 Một số loại tƣờng chắn hố đào Hiện nay, trên thế giới nói chung,... cường độ của cọc và đất nền khi gia cố bằng cọc ximăng – đất đều có liên hệ hữu cơ với nhau Các quá trình này không độc lập với nhau mà diễn ra đồng thời với nhau, là động lực thúc đẩy phát triển của nhau 1.2.2 Phƣơng pháp và công nghệ thi công cọc xi măng đất Qua quá trình phát triển, các công nghệ thi công dựa trên 2 phương pháp cơ bản là trộn khô và trộn ướt Phƣơng pháp trộn khô (Dry Jet Mixing): là... ga các tuyến metro; tính toán, dự báo mức độ ảnh hưởng của từng cơ chế phá hoại, đưa ra nhận định và khuyến cáo giải quyết 3 Phƣơng pháp nghiên cứu Phân tích tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cụ thể là sử dụng phần mềm Plaxis 8.5 để tính toán và mô phỏng từng trường hợp các bài toán 14 4 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài Các nước tiên tiến trên thế giới đã xây dựng các tuyến metro. .. thi công tường ximăng - đất theo công nghệ Geomix [19] 27 Với công nghệ Geomix sản phẩm sau khi thi công là tấm panel ximăng - đất liên tục Phần lớn các sản phẩm thi công theo công nghệ này có tác dụng ngăn thấm, ngăn sự xâm thực của nguồn nước ô nhiễm, bờ kè và gia công vách hố đào nhưng ít phổ biến do khả năng chịu uốn thấp hơn so với công nghệ DMM của Nhật Bản 1.2.4 Ứng dụng cọc xi măng đất ở Việt . hố đào - Ứng dụng công nghệ cọc ximăng - đất trong thi công tường chắn hố đào. Chƣơng 2: Các cơ chế chính phá hoại loại tường chắn cọc ximăng - đất trong thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến. ga các tuyến metro diễn biến rất phức tạp nên vấn đề nghiên cứu tính toán các cơ chế phá hoại tường chắn loại cọc ximăng - đất thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro cần được nghiên. tuyến metro. Chƣơng 3: Mô hình và phương pháp tính toán loại tường chắn cọc xi măng đất trong thi công đoạn đào mở và nhà ga các tuyến metro. Chƣơng 4: Mô phỏng và tính toán một số cơ chế phá hoại